Figura 1:Defecto compuesto en un superfluido 23Na confinado en un "contenedor electromagnético" bidimensional en forma de panqueque. El color más negro indica una región de alta densidad de fluidos. El núcleo del defecto topológico corresponde a la región blanca en el centro de la imagen. Crédito: Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)
Hiromitsu Takeuchi, profesor de la Escuela de Graduados en Ciencias, Universidad de la ciudad de Osaka, e investigador del Instituto de Física Teórica y Experimental Nambu Yoichiro (NITEP), ha identificado teóricamente la naturaleza de un misterioso defecto topológico producido por la evolución temporal sin equilibrio de la ruptura espontánea de la simetría (SSB) recientemente descubierta. Dado que el SSB realizado en este sistema es como el SSB que se sabe que ocurre en superconductores isotrópicos y superfluido 4He, se esperaba que produjera defectos topológicos con propiedades de vórtice en el fluido, llamados vórtices cuánticos. Sin embargo, el defecto topológico observado en este experimento tiene una estructura que guarda poca semejanza con la SSB antes mencionada, y sus propiedades físicas han sido envueltas en misterio. En esta investigación, la idea de aplicar la transformada de Joukowski, que se utiliza para calcular la sustentación de las alas de un avión, a los vórtices cuánticos se introdujo por primera vez, y el análisis reveló que el estado más estable de este misterioso defecto topológico es un nuevo defecto topológico llamado vórtice elíptico cuántico. Los resultados de esta investigación se publicaron en línea en Cartas de revisión física , considerada una de las revistas más prestigiosas en el campo de la física.
Una función dependiente del tiempo y del espacio llamada "campo" se usa comúnmente para describir las propiedades de los sistemas físicos en los que ocurre la SSB. Si se puede calcular el movimiento del campo, se puede predecir el comportamiento del sistema. Sin embargo, el cálculo es generalmente difícil porque los grados de libertad del campo son infinitos.
Una forma eficaz de describir el movimiento complejo de un campo es representar los grados de libertad de un objeto que flota en él, llamado defecto topológico. El campo alrededor del "núcleo" de un defecto topológico tiene cierta estructura. Por lo tanto, al describir el centro del núcleo como el movimiento de un punto de masa, el movimiento del campo se puede predecir aproximadamente.
Esta situación es similar a cómo se puede predecir hasta cierto punto el cambio futuro en la dirección del viento observando la trayectoria del ojo de un tifón. En materiales donde normalmente se produce SSB, como superconductores y superfluidos, este "viento" corresponde a la corriente sin resistencia y al flujo sin fricción, respectivamente. Dado que la estructura del campo alrededor del núcleo se puede predecir de acuerdo con la ruptura de la simetría, Se ha pensado que el comportamiento de los defectos topológicos, y de ahí el comportamiento del campo, puede entenderse si la ruptura de simetría se entiende a escala global.
Figura 2:Flujo (cálculo numérico) alrededor de un vórtice cuántico simétrico rotacionalmente ordinario (izquierda) y un vórtice elíptico cuántico (derecha). Las flechas indican la dirección del flujo; cuanto más blanco es el color, cuanto más fuerte es el flujo. El contorno del núcleo está delimitado por líneas discontinuas. El color de fondo representa la fase θ de la función de onda macroscópica (función compleja) correspondiente al campo superfluido. Crédito:Universidad de la Ciudad de Osaka
Un fenómeno que refuta esta idea fue observado recientemente por el grupo experimental del profesor Shin en la Universidad Nacional de Seúl [Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)]. Dado que la ruptura de simetría en este sistema experimental es similar a la de los superconductores y superfluidos ordinarios bien conocidos, la forma del núcleo del defecto topológico, llamado vórtice cuántico, Se espera que sea redondo como el ojo de un tifón en una sección transversal bidimensional.
Sin embargo, la estructura transversal real del defecto de fase observado era completamente diferente. La figura 1 muestra una fotografía experimental de la estructura correspondiente a la sección transversal de un defecto topológico provocado por una transición de fase repentina. En el momento, este defecto topológico se consideró un compuesto de dos defectos topológicos conocidos (defecto compuesto) y se interpretó como un estado transitorio que ocurre temporalmente durante el proceso de transición de fase cerca del punto crítico.
En este estudio, para aclarar las propiedades físicas del defecto compuesto observado en el experimento, Hiromitsu Takeuchi introdujo la idea de aplicar la transformada de Joukowski, que se utiliza para calcular la sustentación del ala de un avión, al vórtice cuántico. Basado en esta idea, el defecto topológico observado en el experimento finalmente se estabiliza como un nuevo defecto topológico llamado vórtice elíptico cuántico. Los vórtices cuánticos ordinarios tienen un flujo simétrico rotacionalmente en su sección transversal, como el ojo de un tifón (Fig.2, izquierda). Sin embargo, la sección transversal del vórtice elíptico cuántico recientemente propuesto rompe espontáneamente la simetría rotacional y forma un flujo a lo largo de la elipse. Anteriormente se pensaba que la forma externa de un defecto topológico se determinaba en función de la forma en que se produce la SSB global del sistema físico, pero este resultado claramente anula esa percepción.
Teóricamente se sabe que una estructura tan extraña ocurre cerca del punto crítico de la transición de fase, y que la SSB local dentro del núcleo del defecto topológico está profundamente involucrada en su estabilidad.
Aunque la SSB se ha estudiado durante mucho tiempo, No existe una comprensión general de cómo ocurre la SSB local dentro del núcleo y cómo afecta las propiedades físicas de los defectos topológicos. Los defectos topológicos aparecen no solo en materiales especiales como superconductores, pero también en una variedad de sistemas físicos que van desde materiales relativamente familiares como cristales y cristales líquidos hasta ciencia y tecnología de vanguardia como la espintrónica, y se considera que juegan un papel importante en una estrella de neutrones en rotación y la dinámica de transición de fase en el universo temprano. Existe la esperanza de que los nuevos desarrollos en las bebidas azucaradas, como el descubrimiento de Takeuchi, se logrará mediante mejoras en las técnicas experimentales y los correspondientes avances en la teoría, y que tendrán un efecto dominó en todo el campo de la física.
